摘要：

　　塑料菲涅爾透鏡應(yīng)用背投影系統(tǒng)中，擴(kuò)散屏幕前面，可以顯著提高四周亮度，提高整體顯示亮度均勻性。菲涅爾透鏡也應(yīng)用在光引擎中，校準(zhǔn)透過(guò)LCD 面板的光線，使光線聚焦后通過(guò)投影透鏡。不足之處是增加了透鏡成本，重影現(xiàn)象，菲涅爾環(huán)，莫爾條紋等。另外，雙折射控制在偏光敏感的應(yīng)用中也十分重要。

　　1. 介紹

　　一旦光學(xué)系統(tǒng)中需要較大尺寸透鏡，通常采用菲涅爾透鏡。透鏡直徑超過(guò)3 或4英寸（76mm 或100mm）時(shí)，玻璃透鏡的制造成本就相當(dāng)可觀。如果是應(yīng)用在顯示系統(tǒng)中，另一個(gè)需要考慮的因素，就是透鏡重量和所占空間都不能過(guò)大。而菲涅爾透鏡可以做出很平薄，用塑料材料，體積輕，成本低廉。

　　塑料菲涅爾透鏡也不適合所有的大尺寸應(yīng)用。因?yàn)樗奶囟ńY(jié)構(gòu)表面，以及塑料材料的熱機(jī)械性能限制，導(dǎo)致其精度無(wú)法達(dá)到某些科技要求，如天文設(shè)備中通常需要大尺寸透鏡。但是菲涅爾透鏡在顯示應(yīng)用中則相當(dāng)完美。

　　2. 應(yīng)用

　　一個(gè)菲涅爾透鏡可以安裝在投影系統(tǒng)中，從而減少元器件的數(shù)量，體積、尺寸和成本。一般在單片式LCD 投影機(jī)(single-panel LCD projector)中使用向場(chǎng)透鏡(Field lense) 和聚光透鏡(Condenserlense)，使光線更有效地通過(guò)LCD。這兩種透鏡在背投顯示器中屏幕系統(tǒng)中廣泛使用，使出光更加均勻。圖1：

　　高射投影系統(tǒng)（Overhead projection system)中使用菲涅爾透鏡作為向場(chǎng)透鏡(Field lense)和聚光透鏡(Condenser lense)，在相機(jī)中，菲涅爾透鏡是重要聚焦部件，能夠明顯提高亮度和分辨率。

　　菲涅爾透鏡在背投電視系統(tǒng)中多處運(yùn)用。包括向場(chǎng)透鏡(Field lense)和聚光透鏡(Condenser lense)，使光線更有效地通過(guò)LCD，然后在屏幕系統(tǒng)中使用一個(gè)大菲涅爾透鏡使輸出圖象更加均勻。圖2.

　　其他的應(yīng)用包括菲涅爾透鏡陣列，如移動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)中被動(dòng)式紅外（PIR：Passive Infra Red)感應(yīng)器，大型的菲涅爾透鏡陣列也作為太陽(yáng)聚光器用于高聚光光伏系統(tǒng)。

　　3. 背投

　　菲涅爾透鏡被證明最佳應(yīng)用就是在投影系統(tǒng)中，其作用就是準(zhǔn)直光線和聚焦光線。圖3 中有兩個(gè)例子說(shuō)明。

　　菲涅爾透鏡應(yīng)用在投影系統(tǒng)中的優(yōu)勢(shì)就是，通過(guò)聚焦或調(diào)整光線準(zhǔn)直從而增加增體顯示亮度，圖3 下面一幅圖顯示了光線從照明系統(tǒng)（燈泡、鏡子、集成器）出來(lái)后朝向LCD 顯示器。照明光線將在靠近LCD 面板時(shí)候轉(zhuǎn)向。如果取消準(zhǔn)直鏡，光線在穿過(guò)面板時(shí)會(huì)大量損失，顯示中會(huì)出現(xiàn)明顯的熱斑效應(yīng)，降低顯示屏幕四周亮度。同樣，在LCD 屏幕的另一面，我們也必須將光線從面板上集中到投影透鏡中。在觀看屏幕（圖3 上面）前使用菲涅爾透鏡所增加的亮度，在圖4 中看光線分布。

　　4. 菲涅爾透鏡

　　4.1 背景

　　菲涅爾透鏡是循環(huán)同心棱鏡折射結(jié)構(gòu)，這些棱鏡的表面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是為了能夠折射光線，通過(guò)改變傳統(tǒng)透鏡的曲面為幾乎坍塌成平面，通過(guò)這種方式，菲涅爾透鏡的厚度大大降低，見(jiàn)圖5。

　　同心棱鏡折射表面結(jié)構(gòu)成為Slope（傾斜面） 和Draft (干擾面）。傾斜面實(shí)際上接近于傳統(tǒng)非球面透鏡的曲面。理論上，所有反射應(yīng)該發(fā)生在傾斜面上。為了使透鏡厚度變薄，相鄰工作面之間的干擾面有必要設(shè)計(jì)成不相等高度，從而能夠把曲面還原成平面。光入射在干擾面上會(huì)在散落在成像面上，除了使效率降低外，同時(shí)會(huì)造成其他一些問(wèn)題（如雜散光：stray light 和重影ghosting）。

　　合理設(shè)計(jì)干擾面以及菲涅爾透鏡方向，干擾光損失可以降到最低。見(jiàn)圖6 顯示了壓克力透鏡在隨著焦距在準(zhǔn)直/顯示應(yīng)用中對(duì)光線透過(guò)的變化。

　　當(dāng)準(zhǔn)直光線時(shí)，菲涅爾透鏡結(jié)構(gòu)面朝向無(wú)窮共軛。這種方式的話，干擾角可以設(shè)計(jì)出不影響光線路徑。圖6 展示了如果應(yīng)用在錯(cuò)誤的方向，透鏡光透過(guò)損失有多大。

　　4.2. 菲涅爾透鏡弊端(detriments)

　　4.2.1 重影

　　菲涅爾透鏡應(yīng)用在顯示系統(tǒng)（特別是快速顯示系統(tǒng)）里常見(jiàn)的一個(gè)問(wèn)題就是存在重影。重影是一種非常令人討厭的圖象游離，看起來(lái)象畫(huà)面在屏幕上移位時(shí)的圖象復(fù)制。尤其是在高對(duì)比度圖象中尤為明顯，在文本顯示時(shí)絕對(duì)不能接受的。

　　重影是由于菲涅爾透鏡工作面內(nèi)部反射所造成的。光線從工作面反射出，在通過(guò)透鏡平面一側(cè)時(shí)發(fā)生內(nèi)部全反射(TIR)，然后通過(guò)工作面或干擾面從錯(cuò)誤的方向出來(lái)，見(jiàn)圖七。盡管干擾角度可以設(shè)計(jì)成不干擾光的直線路徑，但重影反射出的光仍然將不可避免地射到干擾面上。

　　當(dāng)透鏡焦距/直徑比例較低時(shí)，壓克力正常發(fā)生內(nèi)部反射的幾率從3.9%到10%以上。正常視頻應(yīng)用中，這種比例的反射光是覺(jué)察不出的。但只要一顯示銳度和高對(duì)比度（如文本顯示），重影圖象就十分明顯且令人覺(jué)得不舒服。另外菲涅爾透鏡內(nèi)部多次反射還可能導(dǎo)致多重重影。

　　目前有很多種方式能夠降低重影圖象的可見(jiàn)性。一個(gè)十分有效的方式就是將透鏡材料染色。因?yàn)橹赜肮饩€比圖象光線光路更長(zhǎng)，根據(jù)Beer 法則，重影光線也更加稀薄。其缺點(diǎn)就是降低了光線透過(guò)率。這在背投影應(yīng)用中是不可接受的，因?yàn)楸惩队皯?yīng)用中最高原則就是最大限度保留亮度。

　　另外一種消除重影方法已經(jīng)試驗(yàn)成功，就是加深干擾面顏色。盡管很難做到，但可以用黑色吸收性材料僅將干擾面部分涂黑，因?yàn)榇蟛糠种赜肮鈴?qiáng)通過(guò)干擾面?zhèn)鞑ィ虼诉@樣能夠有效地消除重影。

　　原則上，應(yīng)用一種寬帶抗反射（AR）涂層在菲涅爾透鏡結(jié)構(gòu)面，增加了透過(guò)效率，能夠降低重影現(xiàn)象。但涂層應(yīng)用卻還未完全成功實(shí)現(xiàn)，因?yàn)榭狗瓷渫繉庸δ芙嵌刃桦S著菲涅爾透鏡中心向外逐漸變化，因其結(jié)構(gòu)面的角度在變化。

　　4.2.2 Moir （莫爾條紋）

　　當(dāng)不同的光強(qiáng)穿過(guò)菲涅爾透鏡結(jié)構(gòu)時(shí)會(huì)產(chǎn)生重疊，從而產(chǎn)生明顯的莫爾條紋。當(dāng)應(yīng)用在背投影顯示中，屏幕通常由菲涅爾透鏡和柱面鏡加擴(kuò)散劑組成，當(dāng)成像元件被投影到屏幕上，就會(huì)產(chǎn)生很?chē)?yán)重假影。因此，菲涅爾透鏡和擴(kuò)散劑屏幕的設(shè)計(jì)必須仔細(xì)考慮與系統(tǒng)成像元件的節(jié)距匹配。圖八顯示了柱面鏡條紋和菲涅爾透鏡園環(huán)產(chǎn)生的莫爾條紋。

　　4.3 測(cè)量(Metrology)

　　為了對(duì)菲涅爾透鏡在顯示中性能進(jìn)行量化，需要新的測(cè)量方法測(cè)量重影和莫爾條紋現(xiàn)象。測(cè)量重影時(shí)使用CCD 相機(jī)對(duì)準(zhǔn)菲涅爾透鏡，高強(qiáng)光源對(duì)準(zhǔn)菲涅爾透鏡中心，前面蒙上一層帶小孔的不透明外罩，測(cè)量出有效的焦距是由孔位置與菲涅爾透鏡直徑比例決定（按圖9 F/#=F/D）， CCD 相機(jī)能夠自旋轉(zhuǎn)記錄擴(kuò)散面上亮斑強(qiáng)度和重影與強(qiáng)度的比例。

　　測(cè)量莫爾條紋，目前采用均勻白光照射菲涅爾透鏡和柱面擴(kuò)散。裝置和上面重影測(cè)量裝置很類似，但沒(méi)有外罩，CCD 連續(xù)抓拍產(chǎn)生的摩爾條紋，黑光對(duì)白色邊緣的比例則是對(duì)比度。這種測(cè)量方法也可以進(jìn)一步擴(kuò)展至測(cè)量投影放大的光柵圖案到測(cè)試屏幕上產(chǎn)生莫爾效果。